基于CPTU的黏性土物理力学特征分析研究.pdf

江西建材岩土工程与勘察1732023年6 月基于 CPTU的黏性土物理力学特征分析研究黄敬军福建省闽中南岩土工程勘察有限公司，福建 漳州 363000摘 要：针对黏性土的物理力学指标获取周期长、成本高等问题，文中以嘉穗米业粮食产业加工项目为基础，就其地表分布黏性土的含水量、孔隙比、黏聚力以及压缩模量的 CPTU资料进行统计分析，从而建立包含 CPTU比贯入阻力 ps与物理力学参数的经验关系公式。经研究发现，在比贯入阻力 ps的三种均值中，最小均值 ps,min与各项物理力学指标之间的分布特征及相关性最高，且各项关键物理指标与最小均值 ps,min之间具有较高的拟合优度。通过对比，由最小均值 ps,min所确定的压缩模量，在不同大小的比贯入阻力 ps下均有着较高的相关程度。关键词：黏性土；物理力学；CPTU；拟合中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1006-2890（2023）06-0173-04Analysis of Physical and Mechanical Characteristics of Clay Soil Based on CPTUHuang JingjunFujian Minzhongnan Geotechnical Engineering Survey Co.Ltd.,Zhangzhou,Fujian 363000Abstract:Aiming at the problems of long acquisition period and high cost of physical and mechanical indicators of clayey soil,based on the grain industry processing project of Jiasui rice industry,statistical analysis was carried out on the CPTU data of water content,pore ratio,cohesion and compression modulus of clay soil distributed on the surface,so as to establish an empirical formula containing the CPTU ratio penetration resistance ps and physical and mechanical parameters.The distribution characteristics and correlation between ps,min and various physical and mechanical indexes are the highest,and the key physical indexes and the minimum mean ps,min.There is a high goodness-of-fit;By comparison,the compression modulus determined by the minimum mean ps,min has a high correlation degree under different sizes of specific penetration resistance ps.Key words:Clayey soil;Physical mechanics;CPTU;Fit作者简介：黄敬军（1987-），男，福建漳浦人，本科，工程师，主要研究方向为岩土工程勘察。0 引言黏性土作为我国分布较为广泛的土体，其物理力学性质参数对工程建设极为重要，也是工程评价和方案设计的基础。目前，黏性土的物理力学性质等相关参数的获取，主要采用室内试验和室外探测等方法进行，包含直剪试验、三轴试验、压缩试验、拉伸试验、动力剪切试验和室外电式振动传感器探测、位移传感器探测、孔隙压力计探测、孔隙水位计探测、倾斜计探测等，但由于相关试验存在周期长、扰动大等因素，因此，不利于工程的实时应用1-2。孔压静力触探CPTU（Cone Penetration Test with pore pressure measurement）是一种基于孔隙水压力的快速、经济、无损的土壤力学测试方法。CPTU利用一根锥形探针垂直插入土壤，通过测量插入力、插入速度和孔隙水压力等参数，评估土壤的力学特性和工程性质。在黏性土物理力学特征应用中，CPTU具有高效、准确、可重复性好等优点，逐渐取代了传统试验方法，成为土壤力学测试的主要手段之一3。CPTU测试可以提供土壤的物理力学特征参数，例如，孔隙比、密度、压缩模量、剪切模量、黏聚力、内摩擦角等，这些参数对土壤工程设计、建筑物基础设计、道路、桥梁和隧道建设等工程项目的设计和施工都非常重要，尤其是在黏性土物理力学特征应用中，CPTU测试可以提供黏性土的强度特性、孔隙水压力、孔隙水压力与孔隙比之间的关系等信息4。目前，对 CPTU在黏性土中的研究已取得一定进展，但仍存在不足，例如，关于 CPTU测试的标准和规范还不够统一，不同地区和不同机构的测试方法、参数有所不同，导致测试结果的可比性不足，因而针对特定区域的土体仅能采用相应的经验公式5。缺乏应用研究，CPTU在土壤力学测试中虽具有广泛的应用前景，但学术界对其在实际工程中的应用研究还不够充分6。鉴于此，本文基于嘉穗米业粮食产业加工项目，针对其地表分布的黏性土含水量、孔隙比、黏聚力以及压缩模量的CPTU资料进行归纳总结，并与室内试验进行统计对比分析，建立包含 CPTU测试值经验关系公式，为实际工程中边坡的稳定性及涌浪预警提供一定的参考依据。1 工程概况嘉穗米业粮食产业加工项目位于福建省漳州市高新区粮食产业园，项目由三栋厂房和一栋综合楼组成，为15层、钢架和框架结构建筑物，总建筑面积为25 207 m2。拟建场地地形地貌属河流冲积阶地，地形地势总体较平坦开阔。据本次勘察钻孔揭露，拟建场地上部为人工回填的江西建材岩土工程与勘察1742023年6 月素填土层（厚度0.607.80 m），中部为冲洪积形成的粉质黏土（层厚3.4011.80 m）、粗砂（层厚 2.603.20 m）、圆砾（层厚 2.306.70 m），基底为燕山晚期花岗岩类风化带。勘 察 期 间 测 得 场 地 各 钻 孔 中 地 下 水 初 见 水 位 埋 深4.005.00 m，混合稳定水位埋深3.504.60 m。根据地基基础方案分析与建议，综合楼、1#厂房基础埋深约2.04.5 m，按设计标高整平回填后，回填土厚度约1.53.70 m，其下均为粉质黏土层，设计拟采用粉质黏土为基础持力层。2 研究方法2.1 统计计算方法嘉穗米业粮食产业加工项目主要采用孔压静力触探CPTU，在进行触探试验时测试的主要参数为比贯入阻力 ps，因此，在进行统计时，需针对性依照土层厚度大小与其对应的工程性质选择相应的比贯入阻力 ps计算方法。对此，本文首先对获取的数据进行异常值处理，将明显异常数据去除。在去除异常数据之后，计算处理好的比贯入阻力ps的算术平均值ps,s，并计算其厚度加权平均值 ps,h和比贯入阻力 ps的最小平均值ps,min。最后在比贯入阻力ps的最小平均值ps,min基础上，建立与黏土含水量、孔隙比、黏聚力和压缩模量等工程参数相关的模型，并对其适用性进行探讨。2.2 比贯入阻力均值及物理指标统计本文对嘉穗米业粮食产业加工项目区域的黏土进行静力触探，对其数据进行异常值处理后，将算术平均值 ps,s、厚度加权平均值ps,h和最小平均值ps,min进行统计，得到相应的比贯入阻力 ps各项均值的统计特征，其中，频率为各指标出现次数占样本总数比值，具体如图1 所示。0 1 2 3 4 5 6 7 频率0.250.200.150.100.050.00ps,s/MPa（a）算术平均值频率0.250.200.150.100.050.000 1 2 3 4 5 6 7 ps,h/MPa（b）厚度加权平均值频率0.250.200.150.100.050.000 1 2 3 4 5 6 ps,min/MPa（c）最小平均值图1 比贯入阻力的各项平均值统计结果图1（a）（b）（c）分别为比贯入阻力的算术平均值、厚度加权平均值、最小平均值的统计特征，其各项均值都呈现正态分布的特征，三种均值的频率分布较为接近，且其变异系数均为0.39。本文对嘉穗米业粮食产业加工项目区域的黏土进行静力触探，对其数据进行异常值处理后其含水量、孔隙比 e、黏聚力 c、压缩模量 Es的统计结果和频率分布如图2 所示。0.50.40.30.20.10.0频率22 24 26 28 30 32 34 36 38 40含水量w/%（a）含水量孙隙比 e频率0.50.40.30.20.10.00.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1（b）孔隙比江西建材岩土工程与勘察1752023年6 月0.250.200.150.100.050.00黏聚力c/kPa频率10 20 30 40 50 60 70 80（c）黏聚力压缩模量 Es/Mpa2 4 6 8 10 12频率0.300.250.200.150.100.050.00（d）弹性模量图2 研究区黏土4 项主要物理指标频率直方图基于上述统计结果可以看出，嘉穗米业粮食产业加工项目区域的黏土总体压缩性较低，强度较高，整体上利于项目施工。3 结果分析3.1 比贯入阻力与各物理指标相关性分析在统计了比贯入阻力和黏土的各项物理指标后，为反映相关变量之间的密切关系，需对二者进行相关性分析。本文主要采用SPSS软件，相关性主要通过Pearson相关系数r和显著性 P进行表征。其结果如表1 所示。表1研究黏土比贯入阻力及各项物理指标的相关性数据土体指标比贯入阻力 ps显著性 PPearson相关系数 r算术平均值 ps,s00.498含水量 厚度加权平均值 ps,h00.503最小平均值 ps,min00.509算术平均值 ps,s00.535孔隙比 e厚度加权平均值 ps,h00.535最小平均值 ps,min00.559算术平均值 ps,s00.631黏聚力 c厚度加权平均值 ps,h00.637最小平均值 ps,min00.651算术平均值 ps,s00.721压缩模量 Es厚度加权平均值 ps,h00.724最小平均值 ps,min00.744从表1可以看出，各项物理指标的Pearson相关系数r存在一定差距，产生该现象的原因在于各种物理指标存在不同的分布特性。其中，压缩模量Es的相关系数在0.7210.744，在所有物理指标中与均值的相关性最高，呈现出偏态分布。而显著性P所有指标均为0，此结果表明，比贯入阻力ps的各项均值与物理指标呈现出较高的相关性。但从单项指标来看，各物理指标中最小平均值 ps,min与物理指标的相关性最大。3.2 回归分析为了对各项物理力学指标进行回归分析，针对相关性最高的最小平均值ps,min，采用origin对最小平均值下的4项物理指标的散点值进行拟合分析。拟合分别采用线性拟合和非线性拟合进行，通过多次拟合，结果均显示采用 y=A+B/x的形式效果最好，因此对4 种物理指标的散点值均采用该形式进行拟合。最小平均值 ps,min与4 项物理指标的散点图拟合结果如图3所示。ps,min/MPa（a）含水量ps,min/MPa（b）孔隙比ps,min/MPa（c）黏聚力江西建材岩土工程与勘察1762023年6 月ps,min/MPa（d）弹性模量图3 最小平均值 ps,min与4 项物理指标的散点图拟合结果图3 为最小平均值 ps,min与4 项物理指标的散点图拟合结果，从图中可以看出，最小平均值 ps,min与含水量、孔隙比、黏聚力和压缩模量的拟合相关系数分别为0.6、0.62、0.61和0.7，前三者相关系数相近，拟合效果较好，均在0.6 以上，其中最小均值与压缩模量的相关系数达到了0.7，为最高。产生此结果的原因在于4种物理指标的值域分布较广，四者与最小均值ps,min均有着相似的分布特征，因此，相关程度较高。综合上文可知，研究区各项关键物理指标可以通过孔压静力触探CPTU最小均值的拟合回归方程进行确定。3.3 适用性分析为对拟合回归方程确定关键物理指标的可行性和适应性进行分析，本文利用地方规程给出的相关经验公式与所提出的方法进行对比。但由于各个地方规范存在一定差异性，本文选取全国通用的 TB 100182013 铁路工程地质原位测试规程中给定的比贯入阻力 ps对压缩模量的确定方法与本文方法进行拟合对比，其结果如图4 所示。图4 第二种滑坡产生涌浪后进水口不同时刻的浪高分布图从图4 可以看出，当比贯入阻力 ps在2 以下时，规范确定的方法和本文方法与实际值均具备较高的相关性，但在比贯入阻力 ps超过2 后，两者开始出现较大差异，规范所确定的方法，在较高的比贯入阻力下并不适用，而本文研究的方法能够有效契合各种大小的比贯入阻力，并与压缩模量之间呈现出较高的相关性。4 结语本文基于嘉穗米业粮食产业加工项目，针对其分布的黏性土含水量、孔隙比、黏聚力以及压缩模量的CPTU资料进行统计分析，建立包含 CPTU测试值的经验关系公式，得出如下结论：（1）比贯入阻力的最小均值与含水量、孔隙比、黏聚力和压缩模量之间存在较大的相关性，且四者与最小均值存在相似的分布特征和离散程度。（2）对比规程相关公式，本文研究的方法能够有效契合各种大小的比贯入阻力，并与压缩模量之间呈现出较高的相关性。参考文献 1 翟静阳，冷伍明.黏性土物理力学指标的变异性及相互关系J.铁道建筑技术，2001（1）：3.2 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